Primero consideremos una pregunta diferente. ¿Qué sucede cuando un átomo absorbe un fotón y la energía del fotón es mayor que la energía de enlace de un electrón? El electrón puede ser expulsado por completo. Parte de la energía del fotón se usa para ionizar el átomo, mientras que la energía restante se convierte en la energía cinética del electrón. Entonces, aunque las transiciones entre diferentes orbitales en el átomo solo pueden ocurrir a ciertas energías, una vez que está expulsando electrones, hay un espectro continuo de energías de fotones que pueden ser absorbidas, cualquier energía desde la energía de ionización hasta el infinito. Entonces, la regla de que los átomos solo pueden absorber fotones con ciertas energías discretas no es del todo cierto; solo es cierto siempre y cuando el estado final aún esté unido (ya que los estados unidos tienen energías discretas). El fotón siempre puede desenlazar algo, si tiene suficiente energía para hacerlo.
¿Qué puedes hacer con un fotón entrante con MUCHA energía? Hay varias posibilidades, cada una de las cuales tiene una probabilidad diferente de ocurrir. Las probabilidades se pueden calcular utilizando la teoría de campo cuántico; Basta decir que tales cálculos no son fáciles de hacer. Una posibilidad, como ya se discutió, es que uno, o incluso múltiples, electrones sean expulsados del átomo por completo, llevándose la energía del fotón incidente como energía cinética. Otra posibilidad es que el núcleo pueda absorber parte de la energía. El núcleo en sí podría estar excitado a un estado nuclear superior, o puede romperse (con algo de la energía del rayo gamma utilizada para superar la energía de unión nuclear, y el resto llevado por las piezas del núcleo original). La dispersión de Compton, en la que el fotón se desvía con menor energía y parte de la energía se transfiere como energía cinética a la partícula cargada con la que colisionó, siempre es una posibilidad. También lo es la producción de pares, en la que parte de la energía del fotón se convierte en nuevas partículas.
Como puede ver en este diagrama [fuente]:
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la sección transversal para la dispersión de Compton, [math] \ sigma _ {\ mathrm {incoh}} [/ math], aumenta a medida que la energía del fotón aumenta hasta alrededor de 10 keV, luego comienza a disminuir. Por encima de 100 MeV, la producción de pares ([math] \ kappa [/ math]) es el proceso dominante. Si cuando dices energía interna estás incluyendo energía de masa, entonces la “energía interna” del átomo más ligero es aproximadamente 1 GeV. Cuando tienes un fotón enérgico, el proceso dominante será la producción de pares: a medida que el fotón colisiona con los átomos, su energía se usará para crear pares de partículas-antipartículas, como [math] e ^ + e ^ – [/ math] y [matemáticas] \ mu ^ + \ mu ^ – [/ matemáticas], hasta que finalmente no tenga suficiente energía para eso. Si el fotón es tan enérgico como, por ejemplo, un átomo de plomo (alrededor de 200 GeV), producirá una variedad de partículas aún más pesadas.
Pero no olvidemos que un fotón siempre no podría interactuar con un átomo, sin importar cuán alta energía sea. Simplemente podría pasar. Todo es probabilístico.